CC BY
18
ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ _АКАДЕМИИ № 2 2014_
МЕХАНИЗАЦИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 631.563
В. Н. ДАШКОВ, Н. А. ВОРОБЬЕВ, С. А. ДРОЗД
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХСТАДИЙНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА
(Поступила в редакцию 25.11.14)
Рассмотрена методология экспериментальных исследований процесса двухстадийного измельчения фуражного зерна. Приведена методика теоретического обоснования параметров двухстадийного измельчителя. Рассмотрена лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований. Приведена методика обработки экспериментальных данных. Это, в свою очередь, даст возможность создать опытные образцы двухстадийных измельчителей без значительных затрат материальных средств и времени на изготовление, трудоемкие исследования и доводку большого числа вариантов экспериментального оборудования.
We have examined methodology of experimental research into the process of two-stage crushing of forage grain. We have presented methods of theoretical basing of parameters of two-stage crusher. We have examined laboratory-scale plant for experimental research. We have presented methods of experimental data processing. This will help to create test samples of two-stage crushers without considerable expenses of material means and time for the making, labour-consuming research into and tweaking of a great number of variants of experimental equipment.
Введение
В целях повышения конкурентоспособности продукции сельского хозяйства большое внимание уделяется снижению энергоемкости и ресурсоемкости применяемых технологий и оборудования. На приготовление комбикормов приходится до 30 % затрат в животноводстве, при этом наиболее энергоемким является дробление зерна. В связи с этим исследование, моделирование и обоснование параметров процесса двухстадийного измельчения фуражного зерна с целью снижения энергоемкости и повышения качества является актуальной задачей.
Анализ источников
Исследование и практика показывает, что измельчение зерна является энергоемким процессом [2]. Энергетически эффективным оборудованием являются вальцовые плющилки. Однако они не способны обеспечить мелкое измельчение, молотковые дробилки обеспечивают мелкое измельчение, но обладают высокой энергоемкостью [3]. Оптимальный вариант можно найти в симбиозе двух машин, которые совместят в себе два этапа измельчения зерна, что позволит сократить не только энергопотребление данного процесса, но и повысит качество и однородность измельчения [4].
Существует различное сочетание вариантов двухстадийного измельчения. Сочетание вальцовых рабочих органов (плющение) и молотковых изучено в диссертации Дорофеева [6], в которой была подтверждена энергетическая эффективность данного метода. Двухстадийное плющение, сочетающие две пары вальцовых рабочих органов, изучено в диссертации Одегова [9]. Литературный анализ показал, что сочетание пары измельчающих вальцов (дробление зерна) с горизонтально расположенным молотковым ротором ранее не изучено.
В качестве лабораторной установки используется вальцовый измельчитель ИПЗ-3 [5] и молотковая дробилка ИК-1 [6].
В настоящее время нет достоверных теоретических зависимостей показателей качества двухстадийного измельчения зерна от различных параметров [5]. Поэтому планируется проведение опытов с целью построения регрессионной модели, которая позволит обосновать рациональную конструкцию и режим работы вальцовой дробилки, обеспечивающей качественное измельчение зерна с малыми затратами энергии [1, 7, 8].
Методы исследования
Для проведения экспериментального исследования была выбрана схема двухстадийного измельчения зерна, которая включает в себя сочетание пары измельчающих вальцов с горизонтально расположенным молотковым ротором. Предварительное воздействие на зерно вальцами способствует нарушению целостности зерновки, искусственному образованию трещин и снижению сопротивления зерна при дальнейшем измельчении молотковым ротором. Данное сочетание рабочих органов способствует снижению энергопотребления, повышению производительности измельчителя и улучшению качества готового продукта [5]. В качестве параметров оценки показателей процесса были выбраны: У] - производительность Q, т/ч; У2 - мощность затрачиваемая на осуществление процесса N кВт; У3 - модуль помола М, мм; У4 - энергоемкость Э, кВт-ч/т.
На указанные параметры влияют многие факторы. Для первой ступени измельчения (вальцами) основными факторами являются: диаметр вальцов, длина вальцов, окружная скорость вальцов, зазор между вальцами, коэффициент трения зерна, скорость подачи зерна, тип рабочей поверхности, шаг рифлей, геометрические характеристики рифлей, передаточное отношение вальцов, влажность зерна. Для второй ступени измельчения (молотковым ротором) - диаметр ротора, длина ротора, окружная скорость ротора, количество молотков в роторе, диаметр отверстий в решете. Наиболее эффективно будет оптимизировать факторы, которые оказывают значительное влияние на параметры оценки показателей процесса [1].
С учетом изложенного многофакторная зависимость запишется:
(УЬУ2,У3,У4) = /(ХЬХ2,Х3),
где Х1 - зазор между вальцами Ъ, мм; Х2 - передаточное отношение вальцов /; Х3 - диаметр отверстий в решете d, мм.
Основная часть
В связи с отсутствием двухстадийного измельчителя в качестве лабораторной установки используются два измельчителя и проводится измельчение зерна в два этапа: сначала на вальцовой дробилке, а затем на молотковой.
Для имитации сочетания вальцового и молоткового рабочего органа исследование по изучению влияния выбранных параметров на производительность, качество плющения, потребляемую мощность и энергоемкости процесса плющения производили на экспериментальной установке, включающей вальцовый измельчитель-плющилку зерна ИПЗ-3 и молотковую дробилку ИК-1. Данное решение позволяет в полной мере смоделировать процесс двухстадийного измельчения зерна, не прибегая к затратам на создание двухстадийной лабораторной установки [5].
Вальцовый измельчитель-плющилка зерна ИПЗ-3 (рис. 1) состоит из рамы 1, электропривода 2, бункера 3, воронки 4, заслонки 5, ведущего 6 и ведомого 7 вальцов, механизма изменения зазора 8, выгрузного окна 9, механизма натяжения ремня электропривода 10.
Рис. 1. Общий вид и схематическое изображение вальцового измельчителя-плющилки зерна ИПЗ-3: 1 - рама; 2 - электропривод; 3 - бункер; 4 - воронка; 5 - заслонки; 6 - ведущий валец; 7 - ведомый валец;
8 - механизм изменения межвальцового зазора; 9 - механизм натяжения ремня электропривода
Измельчаемое зерно засыпается в бункер 3, из которого через воронку 4, при открытой заслонке 5, попадает на рифленые ведущий 6 и ведомый 7 вальцы. Проходя через межвальцовый зазор, зерно измельчается и высыпается через выгрузное окно [10].
На данной лабораторной установке исследуется влияние межвальцового зазора и передаточного отношения вальцов на показатели при двухстадийном измельчении. Конструкцией установки предусмотрено изменение межвальцового зазора от 0,5 до 2,5 мм.
В процессе проведения эксперимента межвальцовый зазор выставляется при помощи калибровочных пластин со значениями: 1; 1,5; 2 мм.
Для передачи крутящего момента от ведущего вальца к ведомому используется зубчатая передача. С целью исследования влияния на двухстадийное измельчение передаточного отношения ведущего и ведомого вальцов были изготовлены два дополнительных комплекта шестерен, которые позволяют переоборудовать вальцовую плющилку в вальцовую дробилку и выставлять следующие значение передаточного отношения: 1:1 (вальцовая плющилка); 1:1,5 и 1: 2 (вальцовая дробилка). Технические характеристики вальцового измельчителя применяемого на первой ступени приведены в табл. 1.
Таблица 1. Технические характеристики ИПЗ-3
Параметр Значение
Производительность, т/ч 3
Мощность электродвигателя, кВт 7,5
Диаметр вальцов, мм 270
Полная длинна вальцов, мм 300
Установочная длинна вальцов, мм 60
Частота вращения ведущего вальца, об/мин. 1080
Габаритные размеры, мм 1300x600x1370
Масса, кг 300
Примечание: источник [10].
На второй стадии измельчения применена молотковая дробилка ИК-1 (рис. 2), которая измельчает зерно до показателей качества, установленных НТД.
Рис. 2. Общий вид и схема молотковой дробилки ИК-1: 1 - корпуса, 2 - электропривод, 3 - ротор, 4 - бункер, 5 - кожух, 6 - сито, 8 -заслонка, 9 - дека, 10 - шнур соединительный, 14 - клавиша выключения, 16 - крепление бункера
Молотковая дробилка ИК-1 (вторая ступень измельчения) состоит из корпуса, загрузочного бункера и выходной горловины, камеры измельчения, в которой расположено решето и ротор, состоящий из вала с дисками, на которые шарнирно закреплены осями молотки. Привод осуществляется от электродвигателя через муфту [11]. При помощи второй ступени измельчения исследуется влияние диаметра отверстий решета на исследуемые параметры при двухстадийном измельчении. Для проведения эксперимента были изготовлены сменные решета с диаметром отверстий 3; 4; 5мм.
Технические характеристики молоткового измельчителя приведены в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики молоткового измельчителя ИК-1
Параметр Значение
Производительность, т/ч 0,18
Мощность электродвигателя, кВт 1,1
Частота вращения ротора, об/мин. 2850
Габаритные размеры, мм 420x300x540
Масса, кг 23
Примечание: источник [11].
При каждом опыте измельчения зерна берется проба помола, замеряется время опыта, масса плющеного зерна, количество затрачиваемой энергии. Опыт проводится только после выхода измельчителя в рабочий режим, т. е. двигатель вышел на необходимые обороты, обеспечивается равномерная подача измельчаемого продукта.
Производительность измельчителя определяется как отношение массы готового продукта к времени опыта. Массу измельченного зерна определяют путем взвешивания его на весах. Время опыта фиксируют секундомером [1].
Модуль помола определяют ситовым анализом, для чего из разных мест навески отбираются пробы массой 100 г измельченного зерна. Затем проводится рассев проб на ситах с калиброванными отверстиями диаметром 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мм. Сход с сит взвешивается на весах ВК-3000 с точностью 0,1г. Модуль помола зерна рассчитывают по формуле:
0,5от0 5 + l;0»?i о + 5 + 2,0т2 q + 2,5т2 5 + 3,00 ~ 100 '
где mi - сход с соответствующего сита, г.
Для определения энергоемкости процесса измельчения во время опытов необходимо измерить потребляемую мощность на холостом ходе и при установившемся режиме работы машины и фиксировать при помощи цифрового ваттметра преобразователя частоты Delta Electronics серии VFD-B с погрешностью 0,1.
Энергоемкость процесса измельчения рассчитывают по формуле:
3_NP-NX
Q
где Np - мощность, потребляемая измельчителем в процессе работы, кВт; Nx - мощность, потребляемая измельчителем на холостом ходе, кВт; Q - производительность установки, т/ч [1].
С целью построения регрессионных моделей показателей качества, производительности и потребной мощности дробления зерна проводим серию основных опытов, варьируя в различных сочетаниях факторы на трех уровнях в соответствии со следующей схемой (табл. 3).
Таблица 3 . План проведения основных опытов
X,, X2, Хз, X,, Хз Хз X,, Хз Хз,
и мм - мм и мм - мм и мм - мм
1 1,0 10 1,0 19 1,0
2 1,5 1 11 1,5 1 20 1,5 1
3 2,0 12 2,0 21 2,0
4 1,0 13 1,0 22 1,0
5 1,5 1,5 3 14 1,5 1,5 4 23 1,5 1,5 5
6 2,0 15 2,0 24 2,0
7 1,0 16 1,0 25 1,0
8 1,5 2 17 1,5 2 26 1,5 2
9 2,0 18 2,0 27 2,0
При выборе вида уравнения множественной регрессии, если нет теоретических предпосылок, базируемся на двух часто противоречивых требованиях: расчетные значения y должны быть наиболее
близки к наблюдаемым y и уравнение регрессии должно быть простым, т. е. включать минимум переменных [7, 8].
Заключение
Предложена методология исследования, математические модели которой позволят без значительных затрат времени и средств определить параметры и режимы работы двухстадийного измельчителя зерна, при которых будет обеспечено требуемое качество выполнения и минимизирована энергоемкость технологического процесса. Это в свою очередь даст возможность создать опытные образцы двухстадий-ных измельчителей без значительных затрат материальных средств и времени на изготовление, трудоемкие исследования и доводку большого числа вариантов экспериментального оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев, Н. А. Плющение фуражного зерна вальцами с рифлено-ступенчатой рабочей поверхностью: дисс. ... кан. тех. наук: 05.20.01 / Н. А. Воробьев // БГАТУ. - Минск, 2009.
2. Дашков, В. Н. Анализ энерго- и ресурсоемкости оборудования для измельчения зерна / В. Н. Дашков, Н. А. Воробьев, С. А. Дрозд // Материалы МНПК: Инновация технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции. - Минск: БГАТУ, 2011. - № 1. - С. 73-77.
3. Дашков, В. Н. Совершенствование технических средств для измельчения фуражного зерна» / В. Н. Дашков, Н. А. Воробьев, С. А. Дрозд // Агропанорама . - 2013. - № 5. - С. 23-28.
4. Дашков, В. Н. К вопросу о двухстадийном измельчении зерна / В. Н. Дашков, Н. А. Воробьев, С. А. Дрозд // Переработка и управление качеством сельскохозяйственной продукции. - Минск, БГАТУ, 2013.- С. 52-55.
5. Дашков, В. Н. Методика экспериментальных исследований двухстадийного измельчения зерна / В. Н. Дашков, Н. А. Воробьев, С. А. Дрозд // Переработка и управление качеством сельскохозяйственной продукции. - Минск: БГАТУ, 2013.- С. 55-57.
6. Дорофеев, Н. С. Исследование процесса двухстадийного измельчения зерна: автореферат дисс. ... кан. тех. наук: 05.20.01/ Н. С. Дорофеев // Воронежский с.-х. институт. - Воронеж, 1967.
7. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ / Н. Дрейпер, Г. Смит. - М.: Статистика, 1973. - 392 с.
8. Нагорский, И. С. Моделирование сельскохозяйственных объектов / И. С. Нагорский // Agricultural machinery, buildings, energy and hydraulic engineering, Transactions № 215.-Tartu: Estonian Agricultural University, 2002. - S. 93-102.
9. Одегов, В. А. Обоснование параметров и режимов работы плющилки влажного зерна: дисс. ... канд. тех. наук: 05.20.01/ В. А. Одегов // / Зон. Науч.- ислед. ин-т с.-х. Сев-Восточ. им Н. В. Рудского. - Киров, 2005.
10. Могилевлифтмаш [Электронный ресурс]: Измельчитель кормов ИК-1 - Режим доступа: http: // www. liftmach. by/tnp/ik1.html. - Дата доступа: 08.07.2013.
11. НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства [Электронный ресурс]: Измельчитель-плющилка зерна ИПЗ-3. - Режим доступа: http://belagromech.basnet.by /research/catalogue/forage/izp3.html. - Дата доступа: 08.07.2013.
